Исследуя колебания маятника как механизма, позволяющего регулировать ход часов, Галилей внес новый вклад в развитие искусства измерения времени, а также в историю определения долготы. Первое упоминание об использовании гиревых часов в астрономии относится к 1484 г., когда Бернард Уолтер, ученик Региомонтана, применил такие часы для измерения промежутка времени между моментами восходов планеты Меркурий и Солнца [26]. Часы были неотъемлемой частью астрономического инструментария, которым пользовался знаменитый датский астроном Тихо Браге (1546 1601); составленный им каталог 777 звезд, расширенный до 1005 звезд и опубликованный современником Галилея Иоганном Кеплером (1571-1630) в его Рудольфовых таблицах в 1627 г. [27], оставался самым совершенным вплоть до основания в 1675 г. Королевской обсерватории. Тихо Браге приобрел и испытал в период 1577-1581 гг. четыре экземпляра часов, после чего пришел к заключению, что из-за дефектов часового механизма эти часы непригодны для решения большинства астрономических задач.
В 1637 г. Галилей первым обратил внимание на то, что длина маятника может служить элементом, регулирующим ход часов, однако ему так и не удалось практически усовершенствовать часовой механизм. Под действием силы тяжести маятник совершает естественное, регулярное движение. Это явление, называемое изохронностью, означает, что колебания маятника происходят с равными помежутками времени, почти не зависящими от угла отклонения маятника и веса его груза. Период колебания маятника, однако, связан с его длиной и поэтому легко регулируется.
Галилей произвел соответствующие расчеты для самых простых маятниковых часов со спусковым механизмом (см. приложение III), поддерживающим непрерывное движение маятника. Тем не менее, насколько нам известно, реальные часы по этим расчетам так никогда и не были изготовлены. Честь изобретения маятниковых часов - но не открытия изохронности маятника-принадлежит голландскому математику, астроному и часовых дел мастеру Христиану Гюйгенсу (1629-1695). Изобретение в 1657 г. маятниковых часов и балансной часовой пружины - в 1670-х гг., в разработке которой Гюйгенс также принимал участие, следует рассматривать как основные этапы в развитии науки измерения времени.
Прежде чем более подробно говорить о работах Гюйгенса и его хранителях времени, вспомним теоретические разработки тех лет, связанные с определением долготы. В 1634 г. Жан Батист Морин, доктор медицины и профессор математики Королевского колледжа в Париже, заявил, что он открыл секрет долготы. Для изучения этого открытия кардинал Ришелье учредил комиссию в составе адмирала и пяти ученых. Астролог, свято верящий в систему мира Птолемея, согласно которой Земля является центром Вселенной, Морин не доверял часам и поэтому писал, что не знает, достигнет ли дьявол успеха в изготовлении долготного хранителя времени, но пытаться это сделать человеку - просто безумие [28]. Сам же Морин предлагал применить для определения долготы описанный выше метод лунных расстояний, однако с учетом очень важного явления-лунного параллакса. С точки зрения геометрии метод Морина был верен, но, как решила комиссия, он не поможет определить долготу, так как таблицы положений звезд и Луны настолько несовершенны, что не позволят применить его на практике. Тогда Морин, рассчитывая на вознаграждение, обратился к Голландии, и тоже безуспешно. Все же в конце концов преемник Ришелье кардинал Мазарини в 1645 г. назначил Морину пенсию в размере 2 тыс. ливров.
После изобретения в 1657 г. маятниковых часов Гюйгенс обратился к проблеме измерения долготы, будучи уверен, что именно с помощью часов-морского хранителя времени, который сможет хранить время в течение многих месяцев в любых климатических условиях, несмотря на движение корабля, - вскоре представится возможность определить долготу. Поэтому в последующие годы он усердно занимался изготовлением разнообразных морских хранителей времени, которые в период 1662-1687 гг. испытывались - морских путешествиях. В 1668 г. один из хронометров Гюйгенса, выдержав два шторма и морское сражение, позволил определить разность долгот между Тулоном и Критом; полученный результат, 20° 30', отличался от истинного значения, 19° 13', всего на 100 км (если ошибку выразить в единицах длины) [29]. Ход первых хронометров Гюйгенса, регулируемых маятником (если хронометры подвергались качке), был очень беспорядочен. Поэтому в 1674 г. Гюйгенс отказался от маятника и предложил в качестве регулятора хода морского хронометра использовать баланс и балансную пружину. Это был смелый шаг, но, как мы увидим, должно было пройти еще сто лет, прежде чем появилась возможность изготовить по-настоящему удовлетворительный морской хронометр.
Морин, после того как его предложения по определению долготы были в 1630-х гг. отвергнуты, вдохновился идеей о создании обсерватории, которая позволила бы получать данные, необходимые для практических целей. При Людовике XIV, в 1667 г., в значительной степени благодаря стараниям министра финансов Франции Жана Батиста Кольбера, была создана Парижская обсерватория как часть основанной в предыдущем году Королевской Академии наук. Это предопределило ведущее место Франции в науке, а следовательно, обусловило ее господство и на море. Для сотрудничества с французскими учеными, такими, как Жан Пикар, Адриан Озу и Филипп де ла Гир, в Парижскую обсерваторию были приглашены с назначением им высоких окладов многие знаменитые иностранные ученые, среди которых были Христиан Гюйгенс из Лейдена, Оле Рёмер из Копенгагена и Джованни Доменико Кассини из Болоньи.
Британский эквивалент Французской Академии наук - Королевское общество Лондона для совершенствования естественнонаучных знаний было основано Карлом II четырьмя годами раньше, в 1662 г. «Определение долготы» было одним из многих предметов натурфилософии, которые привлекли к себе внимание только что созданного научного общества. Ниже цитируется 26-я строфа поэмы «В честь избранной компании философов и остряков, которые встречаются еженедельно по средам в Грешэмском колледже»:
Эта поэма, по-видимому, была написана около 1661 г., за год до того, как король подписал хартию об основании Королевского общества. Поэма состоит из двадцати восьми строф, первые двадцать шесть из которых посвящены описанию разнообразных проектов, рассматриваемых зарождавшимся обществом: лунному глобусу Рена, воздушному насосу Бойля, экспериментам с намагниченными опилками, пожиранию одежды молью, водолазному колоколу Эвелина, гравированию и травлению [30].
Прежде чем перейти к истории гринвичского времени, заметим, что Французскую Академию в то время занимали два вопроса. Одним из планов, принятых академией, предусматривалось составление новых карт Франции на основе измерения долгот методом Галилея - из наблюдений спутников Юпитера.
Новая топографическая съемка, произведенная Кассини и Пикаром, подтвердила, что старые карты завышали истинные размеры Франции. Король, недовольный очевидным изменением подвластной ему территории, как утверждают, сказал, что его топографы урезали территорию его страны в гораздо большей степени, чем его армия ее увеличила.
5. Повторная картографическая съемка территории Франции. Тонкой линией показана карта Франции до съемки. (Британская библиотека.)
Второй вопрос связан с именем Андре Рейснера, немца из Нойштатта, который прибыл к Людовику XIV с непогрешимым, по его мнению, решением проблемы долготы при помощи «одометра» (Счетчик пройденного пути - Прим. перев) - разновидности корабельного лага, который, как считал изобретатель, может измерять не только скорость корабля при погружении инструмента в воду, но и скорость на суше. «Он обратился к королю и получил письмо, из которого фактически следовало, что Его Величество берет на себя финансирование открытия, благодаря которому все народы получат пользу, и обещает выплатить изобретателю единовременно 60 тыс. ливров, а также гарантирует ему право получать 4 су за каждую тонну грузоподъемности от всех судов, воспользующихся его открытием. Его Величество обязуется выплачивать награду до тех пор, пока общая сумма не превысит 8 тыс. ливров в год, сохраняя при этом за собой только возможность отменить это право по выплате 100 тыс. ливров. Единственным требованием, предъявляемым к изобретателю, была необходимость продемонстрировать эффективность своего изобретения перед господами Кольбером, Дюкеном, генерал-лейтенантом военно-морского флота Его Величества, и членами Академии наук господами Гюйгенсом, Керкви, Робервалом, Пикаром и Озу». Члены комиссии, назначенной королем, встретились в должное время и пришли к выводу, что хотя это устройство весьма остроумно, оно не позволяет определять долготу с какой-бы то ни было точностью. «От немца потребовали письменно ответить на все вопросы, поставленные академией, и он это сделал; но даже обещанные 160 тыс. ливров не смогли его вдохновить на ответы, которые могли бы опровергнуть выдвинутые против его изобретения возражения» [31]. Таким образом, Рейснер так и не получил обещанных денег. Эта история показывает, насколько большое значение Франция придавала решению проблемы определения долготы в открытом море. Можно сказать: «Решение долготной проблемы должно быть таким же величайшим благом для человечества, как и для автора решения; большие награды обещаны любому, кто бы ни решил первым эту проблему. Действительно, те, кто видел, как много людей билось над решением задачи о квадратуре круга, хотя это не могло им принести ничего, кроме славы, не могли оставаться равнодушными к определению долготы, так как решение этой проблемы могло им дать не только славу, но и несравненно более ощутимую выгоду» [32]. Поиск нужного решения этой проблемы на долгие годы занял умы множества людей.